交通灯控制器的设计与实现.doc

交通灯控制器的设计与实现
一、实验目的
1． 了解交通灯管理的基本工作原理。
2． 熟悉8253计数器/定时器、8259A中断控制器和8255A并行接口的工作方式及应用编程。
3． 掌握多位LED显示的方法。

二、 实验内容与要求
设计一个用于十字路口的交通灯控制器。
1．基本要求：
1) 东西和南北方向各有一组红,黄,绿灯用于指挥交通,红,黄,绿的持续时间分别为25s,5s,20s。
2) 当有紧急情况（如消防车）时，两个方向均为红灯亮，计时停止，当特殊情况结束后，控制器恢复原来状态，正常工作。
3) 一组数码管，以倒计时方式显示两个方向允许通行或禁止通行的时间。
2．提高部分：
1) 实时修改交通灯的持续时间。
2) 根据不同时段对主要交通方向的信号进行调整。
3) 可以使用LCD显示提示信息。

三、实验报告要求
１．设计目的和内容
２．总体设计
３．硬件设计：原理图（接线图）及简要说明
４．软件设计框图及程序清单
５．设计结果和体会（包括遇到的问题及解决的方法）

四、总体设计
交通灯的工作过程如下：设十字路口的1、3为南，北方向，2、4为东西方向，初始态为4个路口的红灯全亮。之后，1、3路口的绿灯亮，2、4路口的红灯亮，1、3路口方向通车，2个路口的LED数码管开始倒计时25秒。延迟20秒后，1、3路口的绿灯熄灭，而1，3路口的黄灯开始闪烁（1HZ）。闪烁5次后，1、3路口的红灯亮，同时2、4路口的绿灯亮，2、4路口方向开始通车，2个路口的LED数码管重新开始倒计时25秒。延迟20秒时间后，2、4路口的绿灯熄灭，而黄灯开始闪烁。闪烁5次后，再切换到1、3路口方向。之后，重复上述过程。当有紧急情况时，2个方向都红灯亮，倒计时停止，车辆禁止通行，当紧急情况结束后，控制器恢复以前的状态继续工作。
在设计中采用6个发光二极管来模拟2个路口的黄红绿灯，每个路口用2个数码管来显示通行或禁止剩余的时间。紧急情况用一个单脉冲发生单元申请中断来模拟，紧急情况结束后，再发一个中断来恢复以前的状态。
根据前面的介绍，本设计硬件由定时模块、发光二极管模块、数码管显示模块和紧急中断模块组成。定时模块采用硬件定时和软件定时相结合的方法，用8253定时/计数器定时100ms，再用软件计时实现所需的定时。发光二极管模块由8255控制发光二极管来实现。数码管显示模块由实验平台上的LED显示模块实现。紧急中断模块是由单脉冲发生单元和8279中断控制器组成。
程序主要是由定时子程序、发光二极管显示子程序、数码管显示子程序和中断服务程序组成。包括对8253、8255以及8259等可编程器件的编程。

五、硬件设计
本课题的设计可通过实验平台上的一些功能模块电路组成，由于各模块电路内部已经连接，用户在使用时只要设计模块间电路的连接，因此，硬件电路的设计及实现相对简单。完整系统的硬件连接如图1所示。硬件电路由定时模块、发光二极管模块、数码管显示模块和紧急中断模块组成。
定时模块是由8253的计数器0来实现定时100ms。Clk0接实验平台分频电路输出Q6，f＝46875hz。GATE0接8255的PA0，由8255输出来控制计数器的起停。OUT0接8259的IRQ2，定时完成申请中断，进入中断服务程序。
发光二极管显示模块由8255输出来控制发光二极管的亮灭。8255输出为低电平时，对应的发光二极管就点亮，否则就熄灭。8255的接口电路如图2所示。交通灯的对应关系如下：
L7
L6
L5
L2
L1
L0
PC7
PC6
PC5
PC2
PC1
PC0
13红灯
13黄灯
13绿灯
24红灯
24黄灯
24绿灯

实验平台上提供一组六个LED数码管。插孔CS1用于数码管段选的输出选通，插孔CS2用于数码管位选信号的输出选通。本设计用4个数码管来倒计时。
紧急中断模块是由单脉冲发生单元和8259中断控制器，单脉冲发生单元主要用来请求中断，然后做出紧急情况处理。

Q6
OUT0
8253 GATE0
Clk0
PA0
8255 PC
地址 CS1
译码 CS2
电路 CS3
CS4

路

数码管显示模块
IRQ2
8259 IRQ3
发光二极管电路
单脉冲发生单元
PC BUS
图1 系统硬件电路图

图2 8255接口电路
六、软件设计
根据交通灯的工作过程和电路连接情况，交通灯的工作状况见下表所示。正常工作时交通灯在前4个状态间运行，出现紧急情况进入状态5，紧急情况结束后，恢复原状态。
序号
交通灯工作情况
PC输出数据
持续时间
下个状态
1
13绿灯亮，24红灯亮
C3H
20s
2
2
13黄灯闪烁，24红灯亮
A3H，E3H
5s
3
3
13红灯亮，24绿灯亮
66H
20s
4
4
13红灯亮，24黄灯闪烁
65H,67H
5s
1
5
所有红灯亮（紧急情况）
63H
不确定
恢复原状态
1. 软件设计思路
本程序由主程序、定时中断子程序和外部中断子程序组成。主程序主要负责系统初始化和等待中断。定时中断子程序主要负责数码管显示刷新和红绿黄灯各种状态切换。外部中断子程序负责紧急情况处理和处理完恢复。
8253计数的起停由8255的PA0控制，8255的PA0输出1时，8253开始计数，交通灯按正常状态切换工作，PA0输出0时，计数器停止工作，交通灯不再按正常状态切换。8253开始计数后每100ms发出一个中断申请信号，在中断子程序中先刷新数码管，然后判断当前状态，进入相应的处理程序进行处理。当有紧急情况时进入外部中断服务子程序，先让8253停止计数，然后点亮所有的红灯，下一次外部中断处理时，恢复原来的交通灯状况，启动8253开始工作。
2. 主程序设计
主程序负责系统的初始化，然后数码管数据输出显示，同时检测PC键盘按键，有按键就退出程序。主程序的流程图如图3所示。
系统初始化包括8253的初始化，8255的初始化，中断向量初始化以及设置交通灯工作的初始状态。8253定时的时间是100ms，clk0的输入时钟f＝46875hz，所以计数初值为124FH。
Y
初始化8253
初始化8255
设置中断向量
设置交通灯初态
启动计数器
数码管数据输出
开始
有按键
结束
N

图3 主程序的流程图
3. 定时中断子程序
定时中断子程序是本设计的重点，负责完成数码管输出数据刷新和各个状态的处理切换。中断子程序包括数码管输出数据刷新程序和各状态处理程序。中断程序的流程图如图4所示。

数码管输出数据刷新子程序是实现倒计时25s，用LEDOUT表示输出的数据，cnt用来软件计时1s，就是计数10个100ms。LED输出是要将输出的数据转化为段选码。LED数码管倒计时显示子程序的流程图如图5所示。

根据当前的状态跳转到相应的处理程序，在处理程序中完成定时和状态的切换。状态1和3的流程是一样的，先点亮对应的交通灯，再判断定时到了就可以切换了。状态2和4要实现黄灯的闪烁，间隔点亮和熄灭就可以了。状态1和3处理程序的流程图（以状态1为例）如图6所示，其中NUM是状态1对应的PC口输出，见前面的表中介绍。状态2和4处理程序（以状态1为例）的流程图如图7所示，其中NUM1和NUM2是状态1对应的PC口输出。

4. 外部中断服务子程序
外部中断服务子程序主要用来处理紧急情况，将2个方向的车都停止运行，点亮所有红灯。下次中断来时恢复以前的状态。用一个标志位FLAG判断是第一次进入还是恢复状态。外部中断服务子程序的流程图见图8所示。